Сверхпроводимость — фундаментальное явление в физике, при котором материал обретает нулевое электрическое сопротивление при достижении определенной температуры, называемой критической температурой сверхпроводимости.
Сверхпроводящие (криогенные) сплавы — это специально разработанные материалы, обладающие сверхпроводящими свойствами в пределах определенных температурных диапазонов при заданной плотности потока электрических зарядов, напряженности и интенсивности магнитного поля. Характеризуются высокой устойчивостью к воздействию внешних факторов при соблюдении трех условий:
- Температура эксплуатации не превышает критическую температуру, при которой происходит переход из сверхпроводникового состояния в нормальное.
- Параметры магнитного поля ниже верхнего критического значения.
- Плотность электрического тока меньше критического показателя (определяется при температуре меньше температуры перехода).
Сверхпроводящие прецизионные сплавы можно подвергать холодному волочению после предварительной термической обработке, а также горячей деформации, но в строго установленных температурных интервалах.
Марки сверхпроводящих прецизионных сплавов
В группу представленных криогенных материалов входят семь сплавов: 35БТ, 50БТ, 65БТ, 70ТМ, 70ТМ-ВД, БТЦ и БТЦ-ВД. Рассмотрим наиболее популярные из них:
- 35БТ — основу сплава составляет титан (от 60% до 64%) и ниобий (не менее 33,5% и не более 36,5%), в качестве легирующей добавки выступает цирконий (1,7-4,3%). Металл характеризуется высокой удельной вязкостью, а также слабой зависимостью проводящих свойств от габаритов выпускаемых из него изделий.
- 65БТ — в составе имеет те же химические элементы, что и 35БТ, но в других соотношениях: Ti — 22-26%, Nb — 63 — 68%, Zn — 8,5-11,5%. Обладает наиболее высоким значением критической плотности эл. тока и магнитного поля. Характеризуется повышенным пределом текучести и прочности при растяжении. Широко применяется для изготовления внутренних элементов сердечников.
- БТЦ-ВД — прецизионный сплав на основе ниобия (от 98,76% до 99,73%) легированный титаном (0,07-0,2%) и цирконием (0,2-1%). Устойчив к атмосферной коррозии и окислению в агрессивных химических средах. Метод изготовления — вакуумно-дуговая плавка.
- 70ТМ-ВД — титан-молибденовая сталь легированная железом. Процентное соотношение химических элементов составляет: Ti — 73-76%, Mo — 24-26%, Fe — не более 2,5%. Обладает высоким удельным сопротивлением, которое слабо меняется при повышении или понижении температуры в диапазоне от -289,15°C до -249,15°C.
В маркировках представленных сталей буква Б указывает на наличие ниобия, а числа перед ней — на его процентное соотношение. Буква Т говорит о присутствии в сплаве титана, Ц — циркония, М — молибдена. Буквы ВД в конце наименования материалов означают метод их выплавки (вакуумно-дуговой).
Свойства криогенных прецизионных сплавов и сферы их применения
Сверхпроводящие прецизионные сплавы имеют ряд уникальных физико-механических характеристик, которые делают их привлекательными для различных областей промышленности и технологических исследований. Например:
- Медицинская техника — сверхпроводящие материалы используются при создании высокочувствительного оборудования для магнитно-резонансной томографии (МРТ) и магнитоэнцефалографии (МЭГ). Они позволяют создавать мощные магнитные поля с минимальной потерей энергии, что улучшает качество и разрешение медицинских изображений и позволяет более точно диагностировать заболевания.
- Квантовые вычисления — представленные сплавы имеют высокий потенциал для создания квантовых битов (кубитов) в квантовых компьютерах. Повышенная точность физико-механических качеств и устойчивость к воздействию внешних факторов делают такие стали перспективными «кандидатами» для реализации стабильных квантовых операций.
- Транспорт — возможность создавать мощные магнитные поля делает сверхпроводящие металлы подходящими материалами для создания магнитных систем быстрого транспорта, таких как магнитопланы — поезда на магнитной подушке.
- Энергетика — применение сверхпроводящих сплавов в энергетических системах может повысить эффективность и надежность передачи электроэнергии, а также снизить потери при передаче электричества на большие расстояния.
- Исследования в физике — представленные материалы широко применяются в физических экспериментах, требующих создания мощных магнитных полей для изучения свойств различных материалов и явлений.
Несмотря на множество преимуществ, сверхпроводящие прецизионные сплавы также имеют и некоторые недостатки. Один из них — сложность производства и высокая стоимость входящих в состав химических элементов. Однако исследования в этой области продолжаются, и ученые постоянно ищут новые способы улучшения свойств и снижения стоимости сверхпроводящих материалов.
